怎樣實(shí)現(xiàn)便攜式產(chǎn)品電池的物盡其用

　　摘要： 本文通過實(shí)例闡明了如何實(shí)現(xiàn)便攜式產(chǎn)品電池的物盡其用。
　　關(guān)鍵詞： 便攜式產(chǎn)品；線性穩(wěn)壓器；降壓-升壓轉(zhuǎn)換器；電池

　　在許多諸如手機(jī)、智能電話、數(shù)字媒體播放器或數(shù)碼相機(jī)等便攜式產(chǎn)品的設(shè)計(jì)中正出現(xiàn)一種增加功能或提升性能的發(fā)展趨勢。這通常是通過使用一些功能更為強(qiáng)大的處理器并添加更為復(fù)雜的模擬電路來實(shí)現(xiàn)，但其結(jié)果是使應(yīng)用電路的功耗更高。通過增加電池容量可以滿足日益增長的功耗需求，但這就需要更大容量的電池或者改進(jìn)電池技術(shù)。通常，人們不會選擇增大電池尺寸，因?yàn)橥鈿こ叽缬邢蕖Ｓ捎诋?dāng)前電池技術(shù)的進(jìn)步以及新型技術(shù)的發(fā)展并不能滿足相同尺寸水平的高功耗要求，因此需要更多先進(jìn)的電源管理電路。與此同時(shí)，對小型解決方案的需求使這種挑戰(zhàn)變得更為棘手。

　　過去，為了獲得要求的性能，只需使用數(shù)個(gè)線性穩(wěn)壓器即可。這些穩(wěn)壓器被直接連接至電池，以產(chǎn)生要求的系統(tǒng)電壓軌。便攜式產(chǎn)品中使用的許多電源管理單元只使用了一些線性穩(wěn)壓器來對功耗進(jìn)行控制。當(dāng)時(shí)已經(jīng)運(yùn)用的典型電池技術(shù)為3節(jié)NiCd或NiMH電池組。同時(shí)，這些化學(xué)特性已經(jīng)幾乎全部被單節(jié)鋰離子電池所取代，因?yàn)檫@些鋰離子電池具有更高的性能。隨著許多應(yīng)用對電流需求的增長，一些線性穩(wěn)壓器已經(jīng)被更為昂貴卻更加高效的降壓轉(zhuǎn)換器取而代之。諸如處理器內(nèi)核和I/O的一些電源軌通常就是這樣產(chǎn)生的。

　　由于線性穩(wěn)壓器和降壓轉(zhuǎn)換器僅能在其輸入電壓較高時(shí)對輸出端電壓進(jìn)行調(diào)節(jié)，因此，如果電池電壓降低至已編程的輸出電壓以下時(shí)，那么就需要將該系統(tǒng)關(guān)閉。一個(gè)線性穩(wěn)壓器的最小壓降裕度或電感和開關(guān)上的壓降裕度都必須加到輸出電壓之中。因此，對于一個(gè)來自一節(jié)鋰電池的典型3.3V電壓軌來說，系統(tǒng)關(guān)閉的典型電池電壓為3.4V。當(dāng)放電至3.0V時(shí)出現(xiàn)的剩余電量在此情況下將不會使用到。測量顯示，當(dāng)前鋰離子電池中的剩余電量大約為10%。這就是說，能夠利用這一剩余電量的任何電源管理解決方案都必須能夠在一個(gè)高于降壓轉(zhuǎn)換器解決方案效率減去10%以后的效率下工作。換句話說，任何使用97%平均效率的降壓轉(zhuǎn)換器的替代解決方案都必須至少在一個(gè)比87%更高的平均效率下運(yùn)行，以延長應(yīng)用一次電池充電的運(yùn)行時(shí)間。

　　對于許多降壓-升壓轉(zhuǎn)換器解決方案來說，這是一個(gè)巨大的挑戰(zhàn)。SEPIC或反向解決方案的一般效率為經(jīng)濟(jì)可行解決方案85%的最大范圍。為了獲得這一效率，已經(jīng)考慮使用諸如同步整流的多種提高效率的方法，同時(shí)這種解決方案的尺寸會比降壓轉(zhuǎn)換器大。4開關(guān)降壓-升壓轉(zhuǎn)換中總是有2個(gè)開關(guān)同時(shí)開關(guān)，在一個(gè)非常優(yōu)化的解決方案中，使用這種降壓轉(zhuǎn)換將會產(chǎn)生同樣的效率(85%)。因此，從這一角度來看，使用一個(gè)降壓-升壓轉(zhuǎn)換器并不能起作用，也正由于這個(gè)原因人們過去未曾考慮使用這種降壓轉(zhuǎn)換器。

　　但是，還存在一些其他的挑戰(zhàn)。例如，手機(jī)在數(shù)據(jù)傳輸期間使用高電流脈沖來驅(qū)動(dòng)其RF-PA。這些脈沖電流可以直接從電池獲得，其可引起電池阻抗和電池連接器上額外的壓降。由于低電源電壓，這可能會使系統(tǒng)電壓監(jiān)控器在出現(xiàn)電流脈沖時(shí)關(guān)閉系統(tǒng)。手機(jī)中基于LED的相機(jī)閃光燈應(yīng)用，或在媒體播放器應(yīng)用中啟動(dòng)硬盤驅(qū)動(dòng)器，都會在電池上產(chǎn)生類似的影響。由于老化或低溫導(dǎo)致電池阻抗的增加使這些問題變得更為嚴(yán)重。在此情況下，降壓-升壓轉(zhuǎn)換器可用于應(yīng)對關(guān)鍵系統(tǒng)電壓軌的電壓降。這就使系統(tǒng)運(yùn)行更加穩(wěn)定可靠，同時(shí)還允許更低的電池電壓放電。

　　除此以外，電池也正得到改進(jìn)。通常，增加電池容量會伴隨著使用更寬的輸出電壓范圍。例如，利用未來的鋰電池技術(shù)，電池可以被充電至高達(dá)4.5V，同時(shí)可以被放電低至2.3V。取一個(gè)中間電壓3.4V，其就可以使電池容量相當(dāng)大的一部分處于未使用狀態(tài)。還有一些正處于開發(fā)階段的電池技術(shù)將可以在3.4V電壓以下出色地工作(例如Li-S)。

　　在此情況下，肯定會需要降壓-升壓轉(zhuǎn)換。解決這一問題的一種簡單方法是，生成一個(gè)較高的系統(tǒng)電壓軌(例如5V)，其可以用于生成所有系統(tǒng)電壓軌，這些電壓軌高于電池的截止電壓。通過使用一個(gè)較大的高效升壓轉(zhuǎn)換器和級聯(lián)降壓轉(zhuǎn)換器可以完成這一工作。總電源轉(zhuǎn)換效率可以輕松地達(dá)到90%以上。不幸的是，更多的升壓轉(zhuǎn)換器需要更多的空間，而在便攜式手持設(shè)備中通常并不具備這樣的空間。

　　另外一個(gè)選擇是使用一個(gè)降壓-升壓轉(zhuǎn)換器來直接從電池生成系統(tǒng)電壓軌。正如上面所述，電源轉(zhuǎn)換效率是設(shè)計(jì)一款具有競爭力電源管理解決方案的關(guān)鍵因素。另一個(gè)重要的因素是解決方案的尺寸?？紤]到這一點(diǎn)，基于SEPIC或反向拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的降壓-升壓轉(zhuǎn)換解決方案并不適合，因?yàn)槠湫枰噍^大體積的無源元件，而且通常效率較低。一個(gè)使用4個(gè)開關(guān)的單電感解決方案具有滿足這些要求的最大潛能。但是，在一個(gè)簡單驅(qū)動(dòng)器方案中，其在運(yùn)行中任何時(shí)候都有2個(gè)開關(guān)同時(shí)在工作，使用這種解決方案不但犧牲了效率，而且還提高了對于電感和開關(guān)尺寸的要求，因?yàn)榇嬖诹鹘?jīng)這些組件較高的RMS電流。僅有源地驅(qū)動(dòng)這些開關(guān)的一側(cè)，意味著總是將該器件以一個(gè)降壓或升壓轉(zhuǎn)換器來運(yùn)行可以實(shí)現(xiàn)最高效率，同時(shí)較低的RSM電流還帶來了最小的解決方案尺寸。在此情況下，降壓和升壓轉(zhuǎn)換在兩種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)均具有最高效率的工作點(diǎn)上得到完成。圖1中效率與升壓(TPS61020)和降壓(TPS62046)轉(zhuǎn)換器輸入電壓曲線的關(guān)系實(shí)例顯示了這一情況。